Содержание к диссертации
СОДЕРЖАНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 12
1.1. Обобщение результатов выполнения комплексной дефектоскопии
резервуаров 12
Анализ причин аварий резервуаров 12
Классификация дефектов, обнаруженных при выполнении комплексной дефектоскопии резервуаров 17
Требования нормативных документов к величинам допускаемых осадок оснований резервуара 22
Результаты статистической обработки результатов измерений неравномерных осадок наружного контура днища резервуаров 27
Классификация типов осадок резервуаров, при которых необходимо исправление наружного контура днища РВС 41
1.2. Состояние вопроса по теме исследования 49
Обзор способов восстановления геометрической формы резервуаров 49
Обзор исследований, посвященных изучению изменения напряженно-деформированного состояния резервуаров в процессе их подъема 59
1.3. Постановка задачи исследования 64
2. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ
ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ РЕЗЕРВУАРОВ ПРИ ДЕФОРМАЦИЯХ
НАРУЖНОГО КОНТУРА ДНИЩА 67
2.1. Обзор методов расчета напряженно-деформированного состояния
резервуаров 67
2.2. Анализ работ, посвященных исследованию напряженно-
деформированного состояния резервуаров, имеющих неравномерную
ОСАДКУ 68
Определение неравномерной осадки резервуаров, вызывающей неосесимметричную деформацию 74
Напряженно-деформированное состояние стенки резервуара при неосесимметричной деформации 80
аналитическое решение контактной задачи о взаимодействии подъемного устройства и стенки резервуара 93
теоретическое обоснование количества и свойств подъемных
устройств при ремонте резервуаров 96
2.6.1. Анализ результатов вычислений по программе 100
Прочность фундаментного кольца при воздействии сосредоточенной нагрузки 111
Устойчивость корпуса резервуара при подъеме 116
ВЫВОДЫ ПО 2 ГЛАВЕ 125
3. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ РВС-20000 ПРИ
ИСПРАВЛЕНИИ ЕГО ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ПОЛОЖЕНИЯ 126
Промышленный эксперимент по исследованию НДС РВС-20000 в процессе его подъема 126
Методы и средства измерений 130
Выбор средств измерений полей несовершенств геометрической формы резервуара ISO
Натурная тензометрия 132
Измерение деформаций изгиба. 135
Оценка погрешности измерений деформаций 140
Технология установки датчиков 149
Технология промышленного эксперимента по подъему крупногабаритного резервуара 151
ВЫВОДЫ ПО 3 ГЛАВЕ 156
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-
ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РВС ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ
СОСРЕДОТОЧЕННЫХ НАГРУЗОК ОТ ПОДЪЕМНЫХ
УСТРОЙСТВ 157
4.1. Опытно-промышленное исследование зависимости между высотой
подъема резервуара и прогибами днища 157
Исследование напряжений в днище резервуара с учетом полученных экспериментальных данных 161
Расчет напряжений изгиба в месте соединения окрайки и полотнища днища 167
Опытно-промышленное исследование изгибных деформаций в стенке резервуара при подъеме 170
Исследование деформаций изгиба в стенке резервуара при
ПОДЪЕМЕ 172
Исследование напряженно-деформированного состояния стенки резервуара от воздействия ПОДЪЕМНОГО устройства "ножницы" 176
Опытно-промышленное исследование деформаций в стенке резервуара от подъемного устройства 181
Результаты дополнительных экспериментов по подъему РВС 186
ВЫВОДЫ ПО 4 ГЛАВЕ 191
5. ИССЛЕДОВАНИЕ СОБСТВЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ
КОНСТРУКЦИЙ РЕЗЕРВУАРА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОДЪЕМНЫХ
УСТРОЙСТВ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 192
Использование метода конечных элементов для исследования напряженно-деформированного состояния резервуаров, программный комплекс DAST 192
Математические модели резервуаров на основе МКЭ 208
Оценка достоверности полученных математических моделей резервуаров 214
Аналитическое решение задачи о напряженно-деформированном состояние стенки РВС 214
Сопоставление аналитического решения и решения, полученного при помощи МКЭ. 217
Исследование жесткости резервуаров при воздействии сосредоточенных сил от подъемных устройств 224
Анализ результатов промышленного эксперимента при помощи математических моделей на основе МКЭ 231
Практическая реализация работы 235
ВЫВОДЫ ПО 5 ГЛАВЕ 236
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 237
ЛИТЕРАТУРА 239
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 261
ПРИЛОЖЕНИЯ 263
Введение к работе
Одной из основных проблем трубопроводного транспорта нефти сегодня является проблема физического и морального износа основных фондов. Решение этой проблемы сопряжено с огромными капиталовложениями и, по-видимому, в ближайшее время невыполнимо. В этих условиях повышается роль резервуарных парков для поддержания уровня эксплуатационной надежности трубопроводной системы в целом.
Несмотря на снижение, в последнее время, объемов перекачки нефти, вызванное снижением добычи и мировых цен на нефть, основная часть ре-зервуарного парка страны продолжает активно эксплуатироваться. Наличие большого запаса резервуарных емкостей позволяет в новых экономических условиях получать дополнительные прибыли от товарно-транспортных операций и дает преимущества в сфере принятия управленческих решений руководством предприятий. Необходимо отметить, что это — общемировая тенденция. Например, в Японии уже к 1980 году общая емкость резервуар-ного парка составила 71 млн. м3, что соответствовало восьмидесятисуточно-му запасу [28]. Поэтому вопросам поддержания необходимого уровня эксплуатационной надежности резервуарных парков в настоящее время уделяется повышенное внимание.
Известно [114] что нормативный срок эксплуатации значительной части эксплуатируемых резервуаров превысил или близок к предельному. Например, распределение резервуаров эксплуатируемых АК «Транснефть» по продолжительности эксплуатации представлены в табл. В.1
Таблица В. 1
Распределение резервуаров АК «Транснефть» по продолжительности эксплуатации
По данным работы [24] в системе трубопроводного транспорта нефтепродуктов около 3000 резервуары вертикальные стальные (РВС) находятся в эксплуатации более 50 лет, около 1000 РВС имеют срок эксплуатации от 40 до 50 лет и свыше 4500 РВС находятся в эксплуатации более 20 лет.
Нормативный срок эксплуатации 20-30 лет для резервуаров в отечественных нормативах был установлен исключительно из экономических соображений [24,141]. Однако известны случаи многолетней безаварийной работы резервуаров построенных еще по проектам В.Г. Шухова в 1878 году и в более позднее время. Металлографические исследования резервуарных сталей после длительной эксплуатации показали незначительные изменения в их свойствах [126,127,128]. Анализ стандартов Американского нефтяного института [172, 173] также показал, что такое понятие, как нормативный срок эксплуатации резервуаров, в них отсутствует. С 1996 года Госгортех-надзор России ввел новый порядок аттестации резервуаров, исчерпавших свой нормативный срок эксплуатации. Таким образом, теоретически срок эксплуатации резервуаров теперь не ограничивается. С увеличением срока службы сокращаются промежутки его освидетельствования и ужесточаются требования к оценке технического состояния РВС.
Поскольку строительство новых резервуарных парков практически прекращено, встает задача поддержания в исправном состоянии уже имеющихся. Классификации наиболее часто встречающихся дефектов при ремон-
те резервуаров приводятся в работах [24, 28, 115, 141]. Одной из главных причин, существенно влияющих на снижение уровня эксплуатационной надежности резервуаров, является неравномерная осадка наружного контура днища. Несмотря на то, что большая часть РВС сооружена на искусственных основаниях и фундаментах, ошибки проектных изысканий, изменение гидрогеологических условий района строительства, неоднородность грунтов приводят к развитию неравномерных осадок оснований резервуаров. Согласно работы [160] около 50% резервуаров, эксплуатируемых в Западной Сибири в той или иной степени нуждаются в исправлении геометрической формы.
Большой вклад в разработку методов расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) резервуаров внесли отечественные ученые А.С. Арзунян, А.С. Ашкинази, В.Л. Березин, П.П. Бородавкин, В.А. Буренин, В.Б. Галеев, А.Г. Гумеров, К.К. Пономарев, М.К. Сафарян, В.Е. Шутов, В.Г. Шухов, и др. Их усилиями определены основные методы прочностного расчета РВС.
Дальнейшее развитие исследований НДС резервуаров при развитии неравномерной осадки получено в работах В.А. Буренина, В.Б. Галеева, P.M. Зарипова, И.В. Слепнева, Г.Г. Хоперского, К.Ковано, В.Кршупки, СЯмамото. Большая часть исследований выполнена в осесимметричной постановке теории оболочек без учета геометрической и физической нелинейности. Не решены задачи контактного взаимодействия подъемных устройств со стенкой резервуара и устойчивости корпуса РВС при подъеме. Немногочисленные экспериментальные исследования выполнялись на моделях или малогабаритных резервуарах и их результаты не в полной мере могут быть использованы при разработке нормативной документации по исправлению геометрического положения РВС.
Одним из методов борьбы с дополнительными напряжениями в резервуаре, вызванными неравномерными осадками, является ограничение проектного уровня налива. Поскольку большая часть резервуаров эксплуатируется по схеме «подключенный резервуар», то перед технологами встают серьезные, часто непреодолимые препятствия. Известны случаи, когда из-за ограничений уровня налива отдельных резервуаров средний коэффициент заполнения в парке составлял 0,3 * 0,65 [115]. Поэтому, если имеется возможность отремонтировать РВС, то эксплуатационные службы всегда ее используют.
Для устранения осадок резервуаров на практике пользуются различными подъемными устройствами. Метод подъема крупногабаритного резервуара с приваркой 24 ребер жесткости по периметру оболочки, рекомендуемый [81], не нашел широкого практического применения из-за большой трудоемкости. Методы подъема, с использованием ложных штуцеров [82], оказались пригодными лишь для малогабаритных резервуаров. В работах [28,51,100,115], описаны случаи аварий при выполнении подъемов РВС. Чаще всего разрушение происходит вблизи уторного шва на стенке, окрайке либо в полотнище днища. Нередки случаи местной потери устойчивости стенок и разрушения фундаментного кольца.
До недавнего времени наиболее безопасным и эффективным методом подъема крупногабаритного резервуара считался способ, разработанный с участием автора [53, 115, 141]. Однако в процессе выполнения ряда опытно-промышленных подъемов крупногабаритных резервуаров выяснилось, что далеко не все задачи, встающие при исправлении геометрического положения резервуаров, решены.
Поскольку каждый резервуар по своему уникален и имеет оригинальные деформации наружного контура днища, отклонения образующих стенок от вертикали, свойства металла, историю нагружения, элементы жесткости,
локальные защемления (шахтная лестница или ГУС) и так далее, то и подход к исследованию его напряженно-деформированного состояния должен быть индивидуален. Такой подход стал возможен с появлением мощных программных комплексов на основе метода конечных элементов. В данной работе был использован пакет DAST. В то же время часть задач, пригодных для обобщения и широкого использования, удалось решить, привлекая известные методы теории упругости и строительной механики.
Целью работы является повышение эффективности функционирования системы трубопроводного транспорта нефти путем совершенствования методов ремонта РВС на основе разработки универсальной модели неосе-симметричного деформирования резервуара, с учетом несовершенств их геометрической формы.
Основными задачами исследования являются:
На основании анализа причин аварий и выполнения комплексной дефектоскопии стальных вертикальных резервуаров классифицировать методы ремонта и дефекты, снижающие их эксплуатационную надежность. Выполнить статистическую обработку неравномерных осадок наружного контура днища резервуаров, обосновать значительную потребность в их ремонте. Выполнить обзор методов исправления геометрической формы резервуаров;
Проанализировать неосесимметричное напряженно-деформированное состояние резервуаров имеющих неравномерную осадку наружного контура днища, разработать эффективный метод аппроксимации функции осадки и получить решение задачи на основе метода интегральной матрицы;
Получить аналитическое решение задачи контактного взаимодействия подъемного устройства и стенки резервуара. Обосновать количество и характеристики подъемных устройств. Решить задачу обеспечения прочности фундаментного кольца и устойчивости РВС при подъеме;
Выполнить промышленный эксперимент. Разработать методики исследования мембранных и изгибных деформаций металлоконструкций при подъеме РВС-20000. Получить аналитические решения для изменения напряженно-деформированного состояния основных элементов конструкций резервуаров при подъеме. Выполнить сопоставление результатов расчетов с данными эксперимента;
На основе программного комплекса DAST разработать математические модели РВС-5000, РВС-10000, РВС-20000, позволяющие выполнить расчет резервуаров с произвольными профилями наружного контура днища и отклонениями стенок от вертикали, в процессе ремонта. Проанализировать собственную жесткость РВС-20000 в процессе подъема, исследовать полное напряженно-деформированное состояние резервуара в процессе выполнения промышленного эксперимента;
По результатам исследований разработать нормативную документацию. Внедрить результаты работы в производство с получением экономического эффекта.
